DESCRIEREA MOTORULUI PRINCIPAL ȘI A INSTALAȚIEI DE RĂCIRE CU APĂ DE MARE [311542]

CAPITOLUL II

DESCRIEREA MOTORULUI PRINCIPAL ȘI A INSTALAȚIEI DE RĂCIRE CU APĂ DE MARE

2.1.Prezentarea generalã a motoarelor MAN B&W ME

Programul de dezvoltare a motoarelor navale diesel lente în doi timpi din seria MC/MC-C a început încã din anul 1980, iar în scurt timp motoarele produse de MAN Diesel au inceput sã fie lider de piațã în acest domeniu. Aceste tipuri de motoare au fost concepute pentru a satisface nevoile de propulsie a [anonimizat]. Alejazele motoarelor din aceastã serie pot varia de la 260 mm pânã la 980 mm. Ȋn mai puțin de douã decenii, motoarele de tip MC/MC-C au devenit un standard în domeniul motoarelor navale. Ȋn [anonimizat] gãsit rolul și în nenumãrate domenii care își desfașoarã activitatea pe uscat (în principiu pentru centralele de energie electricã).

Motoarele din seria MC/MC-C sunt dotate cu axe cu came acționate în lanț, o temporizare a pompei de injecție acționatã [anonimizat] a supapei de evacuare identicã [anonimizat] o întreagã tehnologie cunoscutã inginerilor navali din întreaga lume.

Figura 2.1. Motorul Man B&W S90MC

[http://marine.man.eu/two-stroke/2-stroke-engines/s-type]

Motoarele din seria MAN B&W MC/MC-C combinã în mod eficient caracteristicile clasice care sunt cunoscute majoritãții motoriștilor cu tehnologia modernã care se aflã într-un constant proces de imbunãtãțire, care pot face fațã cu succes cerințelor navelor moderne. Pentru construcția fiecãrei componente se folosesc tehnologii de ultimã orã și materiale de calitate.

Conceptul motoarelor din seria MC/MC-C este bazat pe un sistem mecanic de axe cu came pentru acționarea întregului sistem de injecție și a supapelor de evacuare. Motorul, [anonimizat], iar viteza motorului este comandatã de un regulator electrohidraulic.

[anonimizat] o pompã simplã acționatã în mod direct de mișcãrile axei cu came. Reglarea consumului de combustibil la diferite nivele de încarcare a motorului și la diferite sarcini este optimizatã prin intermediul Reglãrii Injecției Variabile (VIT), un sistem deținut de MAN B&W, care este încorporat direct în pompele de combustibil. Supapele de evacuare acționate de axa cu came sunt deschise și închise prin comanda hidraulicã prin intermediul unui arc pneumatic.

[anonimizat], rãcirea pistoanelor și a [anonimizat]-[anonimizat]. Ungerea cilindrilor este realizatã prin intermediul unor lubrificatoare electronice de tip „Alpha”, produse de MAN B&W, [anonimizat]ã se pot folosi și lubrificatoare alternative mecanice sincronizate. Supapele de lansare sunt deschise prin acționare pneumaticã, fie prin aerul de comandã care vine de la distribuitorul de aer de lansare și sunt inchise apoi de cãtre un arc pneumatic.

Figura 2.2. Gama de motoare MAN

[http://marine.man.eu/]

Motorul de tip MC-C este varianta mai scurtã a motorului de tip MC. Acest motor este foarte util în situațiile în care se impune o variantã mai scurtã și mai redusã [anonimizat], de exmplu. Motoarele din aceste serii sunt foarte des folosite în cadrul instalațiilor de propulsie de la bordul navelor de tip: portcontainer, vrachiere și tancuri petroliere.

Introducerea axelor cu came controlate electronic la motoarele diesel lente are loc într-un mod foarte rapid, odatã ce, din ce în ce mai multe motoare de tip ME sunt comandate și, în consecințã, odatã ce din ce în mai multe motoare din seria ME intrã în exploatare. Ȋn momentul în care a avut loc redactarea acestei lucrãri, mai mult de 300 de motoare de tip ME au fost comandate sau au fost livrate deja. Acest numãr ridicat este dovada faptului cã din ce în ce mai multe piețe preferã aceastã tehnologie. Din numãrul de motoare menționat mai sus, 82 dintre ele deja se aflã în exploatare, începând cu Ianuarie 2007, iar tipul acestora variazã de la L42ME pânã la K98ME/ME-C.

Deși tehnologia folositã în cazul motoarelor din seria ME pare a fi în totalitate nouã pentru majoritatea celor care lucreazã în acest domeniu, MAN Diesel s-a dedicat dezvoltãrii tehnologiei de comandã electronicã a motoarelor diesel lente de foarte mult timp, de fapt chiar de la începutul anilor 1990. Primul motor dotat cu tehnologia ME a fost motorul de tip 6L60MC/ME, numele sãu indicând faptul cã a fost construit inițial ca un motor MC convențional fiind dotat cu o axã cu came normalã, iar apoi a fost modificat într-un motor cu tehnologie ME. Versiunea MC a acestui motor are deja 30000 de ore de funcționare și este, de-a lungul întregii perioade, compatibil cu tehnologia finã de tip ME.

Principalele obiective ale tehnologiei ME sunt:

O economie mai eficientã a combustibilului în toate momentele în care motorul se aflã în sarcinã;

Flexibilitate sporitã ținând în același timp cont de reglementãrile aflate în vigoare cât și cele care pot apãrea pe viitor, legate de emisiile de noxe;

O balansare și ajustare mai facilã;

Integrarea în sistem (folosirea unui lubrificator de tip Alpha care este integrat complet în cadrul sistemului ME);

Funcționare fãrã fum;

Funcționare foarte stabilã la o sarcinã foarte redusã.

Alte caracteristici ale motoarelor ME sunt:

O injecție lipsitã de acțiunea axei cu came fie cu motorul care acționeaza sau care antreneazã electric pompe industriale standard pentru a asigura energia hidraulicã;

Flexibilitate standard ținându-se cont de schimbarile tipului de alimentare folosit în funcționare, fie HFO sau MDO ;

Simplitatea este atinsã folosindu-se un numãr redus de componente (de exemplu doar un singur levier de comandã pe fiecare cilindru);

Numãrul de puncte de ansamblare este menținut foarte scãzut deoarece existã un singur sistem de ungere cu presiune înaltã;

Calculatoarele de comandã a cilindrilor sunt localizate departe de zonele expuse la temperaturi ridicate pentru a evita încãlzirea acestora;

Ȋn afarã de caracteristicile specifice motoarelor de tip ME, alte concepte mecanice, cum ar fi camera de ardere de tip Oros dotatã cu supape glisante de combustibil, supape de evacuare de tip Nimonic cu scaune de tip W, vor asigura perioade mai lungi între reparațiile capitale și vor menține cilindrii în stare foarte bune. Pentru seriile de motoare de tip MC/MC-C, feedback-ul din exploatare se întinde pe o perioadã care dureazã cel puțin 4-5 ani care a dus la o extindere a duratei de timp dintre reparațiile capitale (TBO). Totuși, cele mai recente înregistrãri de date din funcționarea motoarelor indicã faptul cã o perioada maxima de 5 ani între reparațiile capitale pare a fi cea mai realistã variantã. Se va lua în discuție și cum aceastã evoluție va putea avantaja diferiți operatori.

2.2.Prezentarea motorului Man B&W 6S90MC

Tabelele de mai jos prezintã principalele caracteristici de putere și vitezã a motorului pentru diferite viteze ale motorului, în funcție de numãrul de cilindri cu care este dotat.

Tabelul 2.1: Caracteristicile motorului in funcție de putere și vitezã [http://marine.man.eu/]

Tabelul de mai jos prezintã caracteristicile de consum de combustibil și ulei ale motorului.

Tabelul 2.2: Consumul de ulei și combustibil [http://marine.man.eu/]

Consumurile specifice de combustibil au fost specificate pentru urmatoarele condiții de funcționare:

Temperatura aerului de admisie – 250 C;

Presiunea aerului de admisie – 1000 mbar;

Temperatura aerului de rãcire – 250 C;

Capacitatea caloricã a combustibilului – 40100 kJ/kg (aprox. 10,200 kcal/kg).

Figura 2.3. Turbosuflanta motorului

[http://marine.man.eu/]

Ȋn tabelul de mai jos sunt prezentate caracteristicile tehnice ale instalațiilor auxiliare ale motorului principal.

Tabelul 2.3.Caracteristicile tehnice ale instalațiilor auxiliare [http://marine.man.eu/]

2.3.Subsistemul de rãcire în circuit deschis

Cunoscut sub denumirea de circuitul de rãcire cu apã de mare (în continuare astfel va fi denumit), este prezentat în figura 2.1.

Acesta este alcãtuit la rândul sãu din mai multe sisteme interconectate:

magistrala Kingstone, element central: este sursa de apã de mare la bordul navelor;

subsistemul motorului principal, activ doar în marș;

subsistemul auxiliar care funcționeazã:

ca ramificație a sistemului motorului principal când acesta funcționeazã;

ca sistem de sine stãtãtor în staționare.

Magistrala Kingstone prezentatã în figura 2.1 asigurã accesul apei de mare la bord prin intermediul prizelor de fund și de bordaj, practicate în corpul navei, a valvulelor Kingstone montate pe acestea și a filtrelor de mâl. Prizele sunt prevãzute cu tubulaturi de aerisire și suflare cu abur și aer. La ea sunt cuplate toate circuitele ce utilizeazã apã de mare.

Subsistemul motorului principal prezentat în figura 2.1, funcționeazã doar atunci când este în funcțiune motorul principal și cuprinde pompele principale de apã de mare (pompele cu cel mai mare debit de la bordul navei), din care una este pe stand-by și care alimenteazã:

rãcitorul aerului de baleiaj;

rãcitoarele de ulei, cilindri, pistoane și injectoare;

prin ramificația de legãturã și valvula cu reținere magistrala motoarelor auxiliare;

lagãrele liniei axiale (nu se abordeazã în lucrarea de față).

Pentru reducerea tensiunilor termice ce apar în rãcitoare, în mod uzual primele rãcitoare de pe circuitul de apã de mare sunt cele de ulei, uleiul fiind fluidul cu temperatura cea mai micã, urmate în serie de rãcitoarele cilindrilor, între acestea fiind prezent, de regulã, un detector de ulei (mic tanc de observație), care semnaleazã prezența în circuitul de rãcire a eventualelor scãpãri de ulei. Celelalte rãcitoare, pistoane și injectoare, sunt uzual montate în paralel cu rãcitoarele cilindri.. O ramificație separatã se utilizeazã pentru rãcitoarele aerului de baleiaj TSA și lagãrele liniei axiale, lagãrul etambou și lagãrele intermediare. Pe returul circuitului de rãcire al MP, excepție fãcând subsistemul de rãcire al lagãrelor liniei axiale, este montatã o valvulã temoregulatoare, comandatã pneumatic de o instalație de automatizare. Comanda se realizeazã în funcție de temperatura agentului de lucru pe care îl refuleazã peste bord dacã nu mai dispune de capacitate de rãcire, sau îl reintroduce pe aspirația pompelor.

Acest lucru este deosebit de important, mai ales la navigația în ape reci, când apa de mare are o temperaturã scãzutã, ceea ce duce la apariția unui gradient termic foarte mare în rãcitoare, foarte periculos, datoritã tensiunilor termice care apar. Pentru cazuri deosebite, de regulã la navigația în zone foarte reci, în ape cu gheațã spartã care poate înfunda prizele de fund, existã posibilitatea folosirii unui tanc de balast ca tanc de circulație, aspirația din magistrala Kingston și refularea peste bord fiind cuplate la acesta, sistemul deschis transformându-se într-unul închis. Variația de temperaturã pentru apa de mare este de 1015oC, iar presiunea din circuit este 35 bar, obligatoriu mai micã ca presiunea uleiului din rãcitorul, astfel încât sã poatã fi prevenitã pãtrunderea apei de rãcire în circuitul de ulei al motorului la o eventualã avariere a acestuia.

Subsistemul auxiliar, prezentat în figura 2.1, cuprinde subsistemele de rãcire:

motoare auxiliare, compus din:

subsistemul de rãcire cilindri;

subsistemul de rãcire ulei;

subsistemul de rãcire aer de supraalimentare;

compresoarele de aer;

compresoarele frigorifice.

Acestea sunt alimentate în staționare la cheu din magistrala Kingstone de pompele de serviciu port PS, iar în marș prin ramificația de legãturã prevãzutã cu o valvulã cu reținere VUL, din subsistemul de rãcire al motorului principal.

Subsitemul de rãcire al motoarelor auxiliare, prezentat în figura 2.1, este asemãnãtor celui al motorului principal. Sunt alimentate pe ramificații independente rãcitoarele aerului de supraalimentare și rãcitoarele de ulei și cilindri, acestea fiind înseriate. Pe returul circuitului rãcitoarelor este montatã valvula termoregulatoare.

La fel ca și în cazul motorului principal, existã posibilitatea cuplãrii instalației la tancul de balast, realizând rãcire în circuit închis. Parametrii de funcționare sunt de regulã aceiași, doar debitele diferã.

2.4. Componența sistemului de rãcire

Sistemele de rãcire sunt instalații complexe care conțin numeroase componente, dintre care se vor prezenta in continuare doar cele mai importante:

pompe;

schimbãtoare de cãldurã;

filtre;

rezervoare;

sistemul telescopic;

prize de fund;

elemente de reglare.

Figura 2.4.Pompă de apă sărată [www.directindustry.com]

Pompele cele mai utilizate sunt pompele centrifuge, antrenate la turații de 1500 rot/min., care au randamente mari și fiabilitate ridicatã. Pompele centrifuge (fig. 2.2) au însã înãlțimi de aspirație relativ reduse, mai ales dacã fluidul vehiculat are temperaturã ridicatã, din acest motiv sunt necesare mãsuri speciale pentru ca sistemul sã nu dezamorseze. De aceea, pompele centrifuge lucreazã de cele mai multe ori imersate. Pompele motoarelor mari sunt antrenate de motoare electrice de acționare, în acest fel fiind înlãturatã dependența debitului și presiunii de refulare de turația motorului. Pompele de rãcire articulate pe motoare au regimul de lucru dependent de turația motorului și, din aceastã cauzã, este necesar ca și coeficienții de majorare de debit sã fie foarte mari, astfel încât sã poatã asigura o bunã rãcire la orice regim de funcționare al motorului. Motoarele auxiliare navale au astfel de pompe articulate, dar, deoarece antreneazã generatoare de curent, care necesitã turații constante, ele se trateazã ca și cele cu acționare independentã.

Pompele utilizate au presiuni de refulare de 26 bar, în funcție de complexitatea circuitului de rãcire și debite care se situeazã la nivelul a 4560 l/kwh putere instalatã pentru sistemul de rãcire in circuit închis și 6075 l/kwh pentru cel de apã de peste bord. Ele se executã în construcție navalizatã și sunt uzual construite din materiale rezistente la coroziune (bronzuri pentru rotoare și carcase).

Schimbãtoarele de cãldurã utilizate sunt de suprafațã, de tip rãcitor, la care agentul rãcitor (apa de peste bord, apã de mare) circulã prin țevi, iar agentul de rãcit (apa tehnicã sau uleiul) printre țevi. Rãcitoarele utilizate în circuitele de rãcire sunt identice cu cele utilizate în circuitul de ungere, cele mai utilizate fiind cele cu țevi, înlocuite în prezent de cele cu plãci. Pentru evitarea șocurilor termice, se admite ca temperatura agentului rãcitor sã creascã cu 715OC, iar a celui rãcit sã scadã cu 510OC.

Figura 2.5. Răcitor de apă [www.alfalaval.com]

Un tip mai aparte de rãcitor este rãcitorul aerului de supraalimentare, care este tot cu țevi, dar este utilizat pentru rãcirea lichid-gaz și, din acest motiv, are o construcție mai aparte. În funcție de presiunea de supraalimentare și umiditate, aerul de baleiaj trebuie sã fie rãcit pânã la o temperaturã optimã (conform diagramei Dew-Point), care sã asigure o umplere cât mai bunã și sã se evite condensarea vaporilor de apã din aer. La rãcitoarele aerului de baleiaj, agentul de rãcire este apa de mare, care circulã prin țevi montate între douã plãci dreptunghiulare ce delimiteazã cele douã camere de apã, dintre care cea pe care se gãsesc racordurile de alimentare este secționatã de o diafragmã ce delimiteazã fluxurile de intrare și ieșire din rãcitor, fiind de regulã cu o singurã întoarcere. Țevile pe partea de gaze sunt prevãzute cu nervuri care mãresc suprafața de schimb de cãldurã a rãcitorului. În figura 2.3 este prezentat un astfel de rãcitor, care are o construcție specialã ce permite înlãturarea condensului.

Filtrele utilizate în instalațiile de rãcire au ca scop reținerea corpurilor solide aspirate în mod deosebit prin prizele de fund și a nãmolului. O atenție deosebitã trebuie acordatã filtrelor din instalațiile care utilizeazã pompe cu piston, acestea fiind mult mai sensibile ca pompele centrifuge, motiv pentru care sunt mai puțin utilizate. În figura 2.4 este prezentatã schema unui astfel de filtru.

Figura 2.6. Filtru din instalația de răcire [https://www.youtube.com]

Rezervoare din instalațiile de rãcire pot fi:

tancuri de compensã, în instalația de rãcire cilindri;

tancuri de circulație, la celelalte;

Indiferent de tipul lor, aceste tancuri sunt prevãzute cu:

diafragme pentru liniștire și decantarea produșilor insolubili;

sticle de nivel;

tubulaturã de preaplin prevãzutã cu vizor;

tubulaturã și valvule pentru purjarea de fund, suprafațã și golire;

tubulaturã de aerisire;

tubulaturã de umplere, prevãzutã în unele cazuri și cu flotor de închidere;

tubulaturã de legãturã cu tacul de tratare chimicã;

semnalizatoare cu flotor de nivel maxim și minim.

Rezervoarele se amplaseazã la o înãlțime de 0.52 m fațã de cel mai înalt punct din instalație pentru a menține instalația sub presiune și a preveni dezamorsarea pompelor și pãtrunderea aerului în instalație. Volumul lor se calculeazã în funcție de numãrul de recirculãri și volumul de lichid. Volumul de lichid din tancurile de expansiuneeste de 0.120.25 l/kW și poate reprezenta 1020% din volumul existent în sistem. Volumul tancului de compensã se admite cu 30% mai mare decât volumul de lichid.

Un tip mai deosebit de rezervor este tancul dezaerator, care are rolul de a elimina aerul din instalația de rãcire cilindri și care este prezentat în figura 2.5.

Figura 2.7. Tanc dezaerator [https://en.wikipedia.org/]

Prizele de fund sunt sursele de apã de mare de la bordul navelor. Ele sunt construite sub formã de chesoane în corpul navei și sunt prevãzute cu grãtare de protecție în zona deschisã. Sunt de douã tipuri, în funcție de locul unde sunt amplasate:

de fund, utilizate în ape adânci;

de bordaj, utilizate în porturi și ape puțin adânci.

Figura 2.8. Prize de fund [www.kongsberg.com]

Poziționarea și organizarea prizelor de fund și a magistralei Kingston sunt prezentate în figura 2.6, unde:

caseta de bordaj;

filtre de nãmol;

aerisire;

Elemente de reglare utilizate în sistemele de rãcire sunt destinate menținerii temperaturii la un nivel optim stabilit indiferent de condițiile de exploatare. Cele mai utilizate metode sunt:

varierea debitului de fluid din sistem, care se realizeazã:

utilizând o tubulaturã de retur montatã în paralel cu pompa, controlatã de o valvulã, cu care se regleazã cantitatea de fluid ce revine în aspirația pompei;

modificând rezistențele hidraulice în instalație, prin acționarea unor valvule de pe circuit;

varierea debitului de fluid ce trece prin rãcitor cu ajutorul unei valvule (termoregulatoare) cu trei cãi, varianta cea mai utilizatã;

combinat, când variațiile au o plajã foarte largã.

Sistemele moderne realizeazã reglarea temperaturii pereților cãmãșii și fundului chiulasei în funcție de sarcinã, modificând traseul de rãcire, utilizând trasee de by-pass. Acestea intrã în funcțiune la sarcini reduse, când reduc cantitatea de fluid de rãcire din zona gulerului, evitând în acest fel coroziunea acidã și tensiunile termice din aceastã zonã.

Valvula termoregulatoare este elementul central de automatizare din circuitul de rãcire. Ea poate fi comandatã direct:

manual;

cu ajutorul unui element termosensibil figura 2.7.;

cu ajutorul unei instalații de automatizare, care utilizeazã la intrare semnalul unui traductor de temperaturã, în funcție de care comandã pneumatic o valvulã cu trei cãi.

Figura 2.9 Valvulă termoregulatoare [www.safetyvalve.in]

2.5.Descrierea instalației de răcire cu apă de mare pentru nava de referință

Instalația de răcire cu apă de mare, conține în ansamblul său o serie de elemente, care prin construcția lor, materialul folosit și puterea pompelor, duc la o funcționare fiabilă a tuturor echipamentelor din compartimentul mașină, acestea fiind interdependente unele față de altele. Datorită ariei foarte extinse de navigație a navelor comerciale, temperatura apei are o plajă de variție chiar și de 50° C, (luând ca exemplu portul de încărcare apropiat de Polul Nord, iar cel de descărcare apropiat de Ecuator). Instalația de răcire este prevăzută astfel cu numeroase sisteme de back-up. Aproape în orice compartiment mașină există câte două răcitoare de temperatură loasă și temperatură înaltă, ajustându-se temperatura prin creșterea sau scăderea debitului de apă, implicit, funcționarea unuia sau a două racitoare de același fel în paralel. În regim nominal de funcționare a motorului principal și la o temperatură medie a apei (10-15°C), instalația trebuie să fie capabilă să funcționeze cu un singur răcitor, dacă toate celelalte componente sunt în stare optimă (ex: lipsa coroziunii de pe tubulatură, filtre desfundate, plăci sau fascicule tubulare curate, fără depuneri etc.).

Instalația de răcire cu apă de mare este formată din 4 răcitoare principale fiecare pereche de răcitoare fiind deservită de câte 2 pompe cu apă de mare.

De asemenea, în afară de pompele principale de apă de mare, instalația trebuie prevăzută și cu o pompa de urgență, aceasta fiind necesară în caz de avarie, conectată doar în tabloul generatorului de avarie pentru situațiile cold ship. Aceasta se decuplează automat, odată cu repornirea TPD-ului. Tot ca back-up, se pot folosi și pompele de incendiu, sau de santină, acestea având linie comună cu cele de apă de mare, toate fiind dotate cu manometru, atât pe aspirație, cât și pe refulare.

Tubulatura instalației e confecționată din oțel galvanizat, în detrimentul celei de inox, datorită costului foarte ridicat al acestuia. Diametrul magistralei principale pornește de la 200 mm, ca în final să ajungă la minim 40 mm, în funcție de consumatorul la care este cuplată, în special la ramificațiile superioare.

O serie de clapeți unisens și valvule de tip “future”, sau tot cu clapet, sunt montate pe instalație pentru a asigura atât etanșeitatea, cât și sensul de curgere. De asemenea, pentru o mai buna monitorizare în ansamblu, din camera de comandă a mașinii, sunt montați traductori de presiune și temperatură în puncte cheie.

Figura 2.10. Sistemul central de răcire cu apă de mare [Red Garnet Technical Documentation]

2.5.1.Descrierea pompelor de răcire cu apă de mare

Pompă de apă de mare de răcire principală(4 buc) :

tip: SGS

debit: 480 / 270 / h

presiune apă de mare: 6 / 3 bar

înalțime refulare: 10 m

motor electric: 11 kW, 400 V, 50 Hz, 1000 rpm.

Figura 2.11.Pompa de apă sărată principală tip SGS [Red Garnet Technical Documentation]

2.5.2.Răcitoare folosite în cadrul instalației de răcire

Răcitor central de apă dulce –4 buc

Material: Titan

Debit apă dulce: 1100 m3/h

Temperatura intrare/ieșire apă dulce: 59° C/36° C

Debit apă sărată: 480 m3/h

Temperatura intrare/ieșire apă sărată: 32° C/52° C

Disipare căldură: 25683900 kcal/h

Suprafață: 222 m2

Greutate: 1231 kg

Figura 2.12. Răcitoare din titan [Red Garnet Technical Documentation]